【文章內容簡介】 也提供一部分能量 )。 這種運行模式減輕了電網(wǎng)的負擔 ,并且提高了重要負載的抗干擾性 ，當 電網(wǎng)故障 或檢修的情況時 ,開關 K 將跳開 ,電網(wǎng)被切離 ,系統(tǒng)中的 DGI 和 DG2 將負責調節(jié)負載電壓 ,并按預先設定的功率分配的原則向微電網(wǎng)中所有重要負載供電 ,此時微電網(wǎng)工作于獨立運行模式 （ 即孤島運行模式 ）， 在電網(wǎng)故障清除后 ,微電網(wǎng)要在開關 K 閉合之前重新取得與電網(wǎng)的同步 ,以 平穩(wěn)恢復到并網(wǎng)運行模式 ，繼續(xù)為電網(wǎng)供電 。這種結構很方便地實現(xiàn)了微電源的“即插即拔”的功能特點。 五邑大學本科畢業(yè)設計 3 圖 21 微電網(wǎng)結構圖 微電網(wǎng)的特點 由微電網(wǎng)的定義可知，微電網(wǎng)有如下幾個特點 ： 1) 獨特性：微電網(wǎng)是有微型電源及負荷構成的小型電力系統(tǒng)，與大電網(wǎng)的主要 區(qū)別在于靈活的可調度性。 2) 多樣性： 微型 電源的組成多種多樣，既有傳統(tǒng)電源，又有可再生能源。同時，微電網(wǎng)中也包含儲能設備，作為系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件；而負荷的類型也有很多，如敏感型、非敏感型，可控型、非可控型等。 3) 可控性：根據(jù)運行工況的不同，微電網(wǎng)可以選擇不同的運行方式，完善的控制策略使得微電網(wǎng)的可靠性得到提高，安全性得到保障。 4) 交互式：作為具備獨立發(fā)電設備的微電網(wǎng)可以在必要時對主網(wǎng)提供有力支撐；同時主網(wǎng)也可以向微電網(wǎng)供電。 5) 獨立性：微電網(wǎng)在一定條件下可以獨立運行，在一定基礎上保障了本地的用電需求。 6) 可持續(xù)性：微電網(wǎng)采用的分布式電源大部分都是可再生 能源或清潔能源能大大減少對環(huán)境的污染，保護自然環(huán)境，真正地實現(xiàn)了能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。 由于微電網(wǎng)慣性很小或無慣性，在能量需求變化的瞬間分布式電源無法滿足其需 求，所以微電網(wǎng)需要依賴儲能裝置來達到能量平衡。在現(xiàn)有的微電網(wǎng)結構中，儲能裝置是維持系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定必不可少的設備。 具有單點接入，靈活的運行模式等特點的微電網(wǎng)，將帶給電力用戶和大電網(wǎng)一些益處。 五邑大學本科畢業(yè)設計 4 國外 微電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀 美國的微電網(wǎng)研究 美國電力可靠性技術解決方案協(xié)會（ CERTS） 最早提出微電網(wǎng)的概念，其設計理念是不采用快速電氣控制、單點并 網(wǎng)不上網(wǎng)、提供多樣化的電能質量和供電的可靠性等。這些人性而科學的特點和他不懈的研究使他成為 眾多微電網(wǎng)概念中最權威的一個 。 圖 22所示為 CERTS 提出的微電網(wǎng)基本結構。圖中包括 3條饋線 A,B 和 C及 1條負荷母線，網(wǎng)絡整體呈輻射狀結構。饋線通過主分隔器（ 通常是一個靜態(tài)開關 )與 大電網(wǎng)系統(tǒng)相連，可實現(xiàn)孤網(wǎng) 和 并網(wǎng) 兩種 運行模式 之間的平滑切換。 開關點即 PCC 所在的位置，一般選擇為配電變壓器的原邊側或主網(wǎng)與微電網(wǎng)的分離點。圖 22展示了光伏發(fā)電、微型燃氣輪機和燃料電池等微電源形式，其中一些接在熱力用戶附近，為當?shù)靥峁嵩础?微電網(wǎng)中配置能量管理器和潮流控制器，前者 可以用來 實現(xiàn)對整個微電網(wǎng)的綜合分析控制，而后者可實現(xiàn)對微電源的就地控制。當負荷變化時，潮流控制器根據(jù)本地頻率和電壓信息進行潮流調節(jié)，當?shù)匚㈦娫聪鄳黾踊驕p少其功率輸出以保持功率平衡。 圖 22 CERTS微電網(wǎng)結構 歐盟的微電網(wǎng)研究 從電力市場需求、電能安全供給及環(huán)保等角度出發(fā)， 2022年 ，歐盟 提出“ Smart Grid”項目 ，并在 2022年出臺該 項目 的技術實現(xiàn)方略。 該計劃的 重心是如何將各種分散的小電源連接成一個微電網(wǎng)，并實現(xiàn)與配電網(wǎng)之間的連接。目前，該項目已取得一些很具有啟發(fā)意義的研究成果，譬如，可用于逆變器控制的低壓非對稱微電網(wǎng)的靜態(tài)和動態(tài)仿真工具、孤島和互連的運行理念、基于代理的控制策略、本地黑啟動策略、接地和保護的方案、可靠性的定量分析、實驗室微電網(wǎng)平臺的理論驗證等。 五邑大學本科畢業(yè)設計 5 圖 23 歐盟微電網(wǎng)結構圖 歐盟采用的微電網(wǎng)結構如圖 23 所示，該結構也是通過一些電力電子期間接入分布式電源，同時，考慮到“即插即用 ”的需要。歐盟對微電網(wǎng)研究的核心指導思想是“能源、環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展”，力求最大化地將小型分布式電源集成到配電網(wǎng)中去，提高不可再生能源利用率，減少對環(huán)境的污染。 歐盟的 后續(xù)任務將集中 在 研究先進的控制策略 、 制定相應的標準 、 建立示范工程等 。在目前，在歐盟國家中， 微電網(wǎng)的示范 性 工程主 包括 希臘吉斯諾斯島微電網(wǎng) 、 德國曼海姆居民示范工程 、 西班牙 LABEIN項目 、 葡萄牙 EDP 項目 、 意大利 CESI項目 、 丹麥 ELTRA項目等 。 歐洲微電網(wǎng)的研究計劃都是圍繞微電網(wǎng)的可靠性 、 可接入性和靈活性三個方面來考慮 ， 電網(wǎng)的智能化 、 能量利用的多 元化等將是歐洲未來 微 電網(wǎng)的特點 日本的微電網(wǎng)研究 日本采用的微電網(wǎng)結構如圖 24 所示，它允許燃氣輪機等旋轉發(fā)電設備直接接入，與微電網(wǎng)進行同步運行，目前，日本的微電網(wǎng)研究主要在對負荷的跟蹤能力、對電能質量的監(jiān)控、電力的供需平衡以及孤島的穩(wěn)定性運行等方面。日本的微電網(wǎng)主要采用的是主從控制結構，分布式電源的工作主要是通過頂層能量管理系統(tǒng)統(tǒng)一進行調度和管理，這樣可以最大限度保證微電網(wǎng)暫態(tài)功率的平衡和抑制對主電網(wǎng)的影響。 一個突出的特點是，日本的微電網(wǎng)并不具備“即插即用”的功能，因為他強調分布式電源類型的多樣 化。 五邑大學本科畢業(yè)設計 6 圖 24 日本微電網(wǎng)的結構 其他國家的微電網(wǎng)研究 加拿大對微電網(wǎng)的相關研究主要集中在中壓配電網(wǎng) ，主要包括三大方面：一是邊遠地區(qū)的供電問題；二是計劃孤島運行；三是城市電網(wǎng)如何作為“好市民”。韓國在 207 年成立了以高校為主的智能微電網(wǎng)研究中心，研究目標為配電網(wǎng)技術、電力變換器技術、開發(fā)控制和通信技術、微電網(wǎng)的仿真及模型開發(fā)。新加坡在國家能源決策報告中明確提出的要加強科研能力，強化能源研究的背景下，在 2022 年也開展了對微電網(wǎng)的相關研 究，主要包括：微電網(wǎng)的孤島和并網(wǎng)的運行模式；遠程監(jiān)控與智能控制；建立微電網(wǎng)和分布式電源研究的實驗平臺。 國內微電網(wǎng)發(fā)展 與展望 目前，我國對微電網(wǎng)的研究尚處于起步階段，作為一個新生事物，在國內尚未形成一個統(tǒng)一的概念，國家科技部“ 863計劃先進能源技術領域 2022年度專題課題”中已經(jīng)包括了微電網(wǎng)技術。目前清華大學、中國科學院電工研究所、天津大學等單位相繼開始了對微電網(wǎng)的研究。也取得了相當?shù)某删?，如清華大學與遼寧高科能源集團合作 在國內率先將微電網(wǎng)應用到實際工程中。由浙江省電力試驗研究院設計的浙江東福山島 風光柴海水淡化綜合系統(tǒng)，安裝 7 臺單機容量 30 千瓦的風力發(fā)電機組、 100 千瓦的光伏發(fā)電系統(tǒng)及一套 50噸 /天海水淡化系統(tǒng)，總裝機容量 300 千瓦，并裝設有蓄電池組進行調節(jié)，是目前國內最大的離網(wǎng)型綜合微網(wǎng)系統(tǒng)。 可見，微電網(wǎng)的發(fā)展和研究已經(jīng)引起了國家的重視，將來將會有更多的微電網(wǎng)開始進行，微電網(wǎng)也將會獲得更多的發(fā)展機會 此外， 微電網(wǎng) 作為 智能電網(wǎng)的有機組成部分， 智能電網(wǎng)只有涵蓋了微電網(wǎng) 才能高滲透率 地 大規(guī)模接入可再生能源，才 稱得上 是真正的智能電網(wǎng)， 所以 ,微電網(wǎng)的發(fā)展空間 相當五邑大學本科畢業(yè)設計 7 廣闊。當然，從技術方面看， 微電網(wǎng)在一些方面還需有 待突破 ,譬如 在快速隔離、孤島保護、無縫切換、穩(wěn)定控制、能量管理技術等方面。此外，我國目前 新能源 的 發(fā)展政策 是 以電價補貼為主的， 他更多地是扶持產(chǎn)業(yè)的中下游，雖刺激了 產(chǎn)能， 但卻 沒能有效提升 微電網(wǎng)的 自主創(chuàng)新能力。微電網(wǎng)的建設者、運營者、使用用戶 假如在將來能 直接受益， 那么 在微電網(wǎng)得到大量推廣應用后，其自身的優(yōu)勢 就會 充分發(fā)揮出來，將進入良性循環(huán)，獲得蓬勃發(fā)展 五邑大學本科畢業(yè)設計 8 第 3 章 分布式電源 引言 從本質上說 ,分布式電源與微電源可以互等 ,兩者并無實質上的區(qū)別 ,各種分布 式電源都可以應用到微電網(wǎng)中作為微電源 ,成為微電網(wǎng)的一大組成部分。 作為微電網(wǎng)的一大組成部分，微電源的發(fā)展也將會影響到微電網(wǎng)的發(fā)展， 國家電力網(wǎng)于 2022 年 9月 5日作了《微電網(wǎng)需立足分布式電源現(xiàn)狀》的講話，需要我們在建設好微電網(wǎng)的同時也必須加強發(fā)展對分布式電源的研究。 通常， 我們所指的分布式電源 是 指功率 大概 為數(shù)千瓦至 50 MW 小型模塊式的 并且 與環(huán)境兼容的獨立電源。這些電源 通常是 由電力部門、電力用戶或第 3方所有， 他們 用 來 滿足電力系統(tǒng)和用戶特定的要求 ， 如 在用電高峰時 調峰、為 一些 邊遠 地區(qū) 用戶或商業(yè)區(qū) 供電 ，節(jié)省輸變電投資 、提高供電可靠性等等。 分布式電源具有很多集中式發(fā)電所不能企及的優(yōu)點，譬如投資 規(guī)模小、建設周期短、占地少、運行維護容易及高效、經(jīng)濟、可靠、污染少等 。隨著社會的發(fā)展、環(huán)境保護等方面的需要，分布式電源將會越來越受到人們的青睞。 分布式電源的類型有很多，主要有可再生清潔能源為主的太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電和以不可再生資源的燃料電池發(fā)電、微型汽輪機發(fā)電。 太陽能光伏發(fā) 簡單地說 ,太陽能發(fā)電就是利用“光伏效應” 產(chǎn)生電能 ,由于 光伏電池的基本特性和二極管 相似 ， 因此我們 可以簡單的 用 PN 結來 進行 說明， 如 圖 31 為光伏 電池的單元 的基本模型 ,當具有 一定強度的太陽光射到 半導體時， 一部分的太陽 光 會 與構成半導體的材料相互作用 ,會產(chǎn)生電子 空穴 對 (因失去電子而帶正的電荷 )，如半導體中存在 PN 結， 則在 PN結的作用下 ,電子 會 向 N 型半導體 運動 ，空穴向 P 型半導體 運動，并會聚集到兩個電極 ，即負電荷和正電荷聚集于兩端， 如果兩個電極能夠成回路 ,回路中 就有電荷 定向移動產(chǎn)生電流 。 因此 光能 就 轉化為電能儲存 了 起來，通過 電力電子 與控制技術， 便能 將電能變換為各種 同負載的需要?？梢钥闯鎏柲馨l(fā)電 與傳統(tǒng)的發(fā)電方式是完全不同的， 這其中 沒有旋轉的轉動部分，也 沒有有害 氣體的排出 ，是清潔的、 友好 的發(fā)電。 圖 31 太陽能發(fā)電工作原理 五邑大學本科畢業(yè)設計 9 風力發(fā)電 風力發(fā)電機的結構和原理 可以利用圖 32 來說明，一般來說， 風力發(fā)電的形式主要有三種：第一種一是風力發(fā)電系統(tǒng)獨立運行；第二種二是風力發(fā)電與其他發(fā)電方式相結合（如與柴油機組）；第三種三是風力并網(wǎng)發(fā)電。 無論哪一種，其基本原理都可歸結為： 風力 使風車葉片旋轉 轉動 ， 從而使風輪帶動主軸（低速軸 ） 轉動，主軸同時打動齒輪箱轉動，齒輪箱經(jīng)過齒輪比轉換，將低速轉動轉換為高速轉動，同時齒輪箱帶動著高 速軸轉動 ，高速軸與發(fā)電機連接，發(fā)電機經(jīng)控制電路與負載連接，從而 實現(xiàn) 將風能轉化為電能 或化學能 。 圖 32 風力發(fā)電機結構圖 燃料電池發(fā)電 首先，燃料電池與普通的蓄電池是有本質上的區(qū)別的，其最本質的區(qū)別在于 燃料電池是一種能量轉換裝置，在工作時必須 要 有能量（ 即 燃料 ）的 輸入，才 有電能的產(chǎn)生，而 普通蓄電池是一種 能量的 儲 容器 ，必須先將電能 轉化為化學能 儲存到電池中，在工作時只 輸出電能， 無需能 量的輸入 。 燃料電池的結構和工作原理可以用圖 33 來說明，如圖所示，燃料電池 是由陽極、陰極和電解質（電容液）構成。當燃料（氫氣）和空氣被送入電池時，氫在陽極會被氧化，反應方程式如公式 31 所示； 而氧在陰極會減少， 反應方程式如公式 32所示。 這時，質子在電溶液中從陽極運動到陰極，而電子 e經(jīng)外部電路運動至陰極。在陰極，氧會與質子、電子發(fā)生化學反應，生成廢熱。 總的反應式如公式 33。 通常情況下，陰陽兩極都會加入一定量的催化劑來加速反應過程。用公式來說明這個過程可表示為： 陽極 反應式： —）（ e22g2 ?? ?HH 公式 31 陰極反應式： OHHO 22 2e44 ??? ? — 公 式 32 總反應式： 熱能電能）（ ???? OHgOH 222 2)(g2 公式 33 五邑大學本科畢業(yè)設計 10 圖 33 燃料電池示意圖 其它形式的分布式發(fā)電 除了上述三大類典型分布式發(fā)電外，還有一些其它形式的分布式發(fā)電，如生物能發(fā)電、微型燃氣輪機發(fā)電，生物能的發(fā)電技術主要為生物質的氣化、生物質被壓塊成 固化成型技術和生 物質的液化技術，它的突出之處是對環(huán)境的貢獻上，利于環(huán)境。微型燃氣輪機主要是指以甲烷、天然氣、汽柴油為燃料的小型燃氣輪機，它們結構簡單、技術簡易、靈活性強等優(yōu)點，但它與其他的分布式發(fā)電比較起來，顯得發(fā)電效率相當?shù)牡?，其主要應用也只限于短期的分布式發(fā)